Устройство для контроля многослойных диэлектриков

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ, содержащее автогенератор, два образцовых генератора, автоматический переключатель , два неподвижных контакта которого соединены с выходами образцовьк генераторов соответственно, смеситель, один из входов которого соединен с выходом автогенератора, а другой - с подвижным контактом автоматического переключателя, последовательно подключенные к выходу смесителя полосовой фильтр, частотный детектор, низкочастотный усилитель , синхронный детектор, первый интегратор, микропроцессор и индикатор , а также генератор синхросигнала , выход которого соединен с управляющим входом автоматического переключателя и с синхронизирующим входом микропроцессора, многоканальный коммутатор из (п-1) основных переключателей, управляющие входы которых соединены с (r-k) коммутирующими выходами микропроцессора соответственно, одна группа из (n-k) одноименных неподвижных контактов соединена с времязадающей цепью автогенератора, а другая группа из (п-1) одноименньц неподвижных контактов подключена к общей шине устройства, и измерительный датчик, представляющий собой накладной измерительный конденсатор и имеющий диэлектрическое основание, на котором размещены выполненные в В1оде компланарных концентрических колец электроды, один из которых, внешний, соединен с корпусом устройства, а внутренние электроды, число которых (п-К) равно количеству слоев § контролируемого объекта, соединены с соответствующими подвижными кон (Л тактамиосновных переключателей многоканального коммутатора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения малых приращений емкости при селективном контроле диэлектрических параметров слоистых сред с получением информа ции о каждом слое в отдельности, в ел него дополнительно введены управляемый фазоинвертор, выход которого cofдинен с опорным входом синхронного детектора, а сигнальный и задающий входы соединены соответственно с вьгхо дом генератора синхросигнала и программным выходом микропроцессбра, второй интегратор, выход которого соединен с корректирующим входом автогенератора , прерыватель, выход которого соединен с входом второго интегратора , сигнальный вход подключен к выходу синхронного детектора, а управляющий вход - к стробирующему выходу микропроцессора, образцоый датчик и дополнительный пере

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК,SU„„1 51 1

y g G 01 R 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

9ГгТРМ" -": .<

4. r ".. с ТЕ. ;,"l.

БЕЬЛКС j b.

ГОСУДАРСТ8ЕКНЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3548961/18-21 (22) 08.02.83 (46) 30.05.84. Бюл. Ф 20 (72) Б.А,Иванов, В.И.Ручкин, П.Т.Захаров, И.А.Федорина, Н.P.Ïàïåíêî

Н.А.Покалюхин и С.С.Валова (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (53) 621.317.73 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 830226, кл. G 01 Н 27/22, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

11 - 440615, кл. С 01 R 27/26, 1971 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ

МНОГОСЛОЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ, содержащее автогенератор, два образцовых генератора, автоматический переключатель, два неподвижных контакта которого соединены с выходами образцовых генераторов соответственно, смеситель, один из входов которого соединен с выходом автогенератора, а другой — с подвижным контактом автоматического переключателя, последовательно подключенные к выходу смесителя полосовой фильтр, частотный детектор, низкочастотный усилитель, синхронный детектор, первый интегратор, микропроцессор и индикатор, а также генератор синхросиг. нала, выход которого соединен с управляющим входом автоматического переключателя и с синхронизирующим входом микропроцессора, многоканальный коммутатор из (-М) основных переключателей, управляющие входы которых соединены с (П-k) коммутирующими выходами микропроцессора соответственно, одна группа нз (n -k) одноименных неподвижных контактов соединена с времязадающей цепью автогенератора, а другая группа из (и-k) одноименных неподвижных контактов подключена к общей шине устройства, и измерительный датчик, представляющий собой накладной измерительный конденсатор и имеющий диэлектрическое основание, на котором размещены выполненные в виде компланарных концентрических колец электроды, один из которых, внешний, соединен с корпусом устройства, а внутренние электроды, число которых (n-g) равно количеству слоев контролируемого объекта, соединены с соответствующими подвижными контактами основных переключателей многоханального коммутатора, о т л и — С„ ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения малых приращений емкости при селективном контроле диэлектрических параметров слоистых сред с получением информащии о каждом слое в отдельности, в 4Р него дополнительно введены управляе (,7Ъ мый фазоинвертор, выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора, а сигнальный и задающий входы соединены соответственно с вьр.о дом генератора синхросигнала и программным выходом микропроцессбра, второй интегратор, выход которого соединен с корректирующим входом авто-,фФ генератора, прерыватель, выход которого соединен с входом второго интегратора, сигнальный вход подключен к выходу синхронного детектора, а управляющий вход — к стробирующему выходу микропроцессора, образцоый датчик и дополнительный пере1

1,095 I 01 ключатель, управляющий вход которого соединен с 8 м коммутирующим выходом микропроцессора, неподвижные контакты подключены параллельно одноименным неподвижным контактам многоканального коммутатора соответ4

Изобретение Относится к средствам неразрушающего контроля композиционных диэлектрических материалов, веществ и изделий, в частности многослойных диэлектриков, и может быть использовано для исследования диэлектрических характеристик слоистых сред и в производстве многослой— ных материалов на основе диэлектриков для контроля технологических пара- 10 метров, связанных с их диэлектрическими свойствами.

Известно устройство для многопараметрического контроля физических характеристик композиционных материа- 15 лов, основанное на измерении разности

Ф диэлектрических параметров различных участков или слоев объекта и получении информации о каждом из них в отдельности и содержащее задающий рб тракт с генератором качающейся частоты и широкополосный тракт преобразования информационных сигналов и установленные в различных зонах контролируемого объекта измерительные д5 датчики, многоканальный коммутатор, микропроцессор и индикатор (1 3.

Однако это устройство не позволяет получить достаточно точных измерений из-за нелинейности амплитудночастотной характеристики широкополосного приемно-усилительного тракта, а также температурно-временной нестабильности параметров элементов задающей части и изменения информативных.параметров объекта под влиянием температуры и других побочных факторов, что вносит дополнительную погрешность при измерении малых приращений емкости, связанных с диэлектрическими параметрами контролируемого объекта.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство, предназначенное для мноственно, к времязадающей цепи автогенератора и к общей шине устройства, а подвижный контакт соединен с первым выводом образцового датчика, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства. о 2 гопараметрического контроля диэлектрических параметров слоистых сред, основанное на измерении разности параметров накладного электрического конденсатора, емкость которого периодически изменяется между двумя крайними значениями при варьировании глу-. бины проникновения электрического поля в исследуемый материал, и содержащее автогенератор и два образцовых генератора, автоматический переключатель, неподвижные контакты которого соединены с выходами образцовых генераторов соответственно, смеситель, один из входов которого соединен с выходом автогенератора, а другой — с подвижным контактом автоматического переключателя, последовательно подключенные к выходу смесителя измеритель частоты с отдельно выведенным блоком сброса показаний и индикатор, а также коммутатор, один из неподвижных контактов которого подключен к времязадающей цепи автогенератора, а другой соединен с корпусом устройства, микропроцессор, коммутирующие выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора и автоматического переключателя соответственно, и измерительный датчик, представляющий собой накладной измерительный конденсатор и имеющий диэлектрическое основание, на котором размещены два основных электрода, постоянно подключенных к корпусу устройства и к времязадающей цепи автогенератора соответственно,и IIO меньшей мере один дополнительный электрод, соединенный с подвижным контактом коммутато-. ра, причем частота одного из образцовых генераторов выше, а другого— ниже частоты автогенератора t 2 ).

Недостатком известного устройства является невысокая точность из1095 с

101 4 нального коммутатора, дополнительно введены управляемый фазоинвертор, выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора, а сиг:нальный и задающий входы соединены соответственно с выходом генератора .синхросигнала и программным выходом микропроцессора, второй интегратор, выход которого соединен с корректирующим входом автогенератора, прерыватель, выход которого соединен с входом второго интегратора, сигнальный вход подключен к выходу синхронного детектора, а управляющий вход — к стробирующему выходу микропроцессора, образцовый датчик и дополнительный переключатель, управляющий вход которого соединен с -и коммутирующим выходом микропроцессора, неподвижные контакты подключены параллельно одноименным неподвижным контактам многоканального коммутатора соответственно к времязадающей цепи автогенератора и к общей шине устройства, а подвижный контакт .соединен с первым выводом образцового датчика, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 24- спектр несущих частот выходных сигналов авто генератора, двух образцовых генераторов и несущей частоты выходного сигнала генератора синхросигнала с гармбниками, используемыми для формирования сигналов управления и коммутации на фиг. 26 — 2з, а также на фиг, 3 и 4 — эпюры напряжений в различных точках схемы: на выходе генератора синхросигнала (2Б) и частотного детектора (2s), на про граммном выходе микропроцессора (2 р 4а, ь, d, ) > на выходе управляемого фазоинвертора (2d) и синхронного детектора (2е, 46, ъ, е, з ), на накопительных элементах (пунктирная линия) и на выходе усредняющего звена (сплошная линия) первого интегратора (2 ), на выходе второго интегратора (2 з,пунктирная

"линия) и прерывателя (2 з,прямоугольные импульсы), на управляющих входах основных (За — Зт,) и дополнительного (38) переключателей многоканального коммутатора.

Для упрощения на фиг. 1 — 4 иллюстрируется частный случай селективного контроля диэлектрических т

3 мерения малых приращений емкости вследствие погрешностей из-за нелинейности аналого-цифрового преобразо вания малых по уровню сигналов и сложности их масштабирования, а также вследствие использования пассивной компенсации температурного дрейфа параметров датчика.

Цель изобретения — повышение точности измерения малых приращений емкости при селективном контроле диэлектрических параметров слоистых сред с получением информации о каждом слое в отдельности.

Поставленная цель достигается тем что в устройство для многопараметрического контроля многослойных диэлектриков, содержащее автогенератор, два образцовых генератора, автоматический переключатель, два неподвижных контакта которого соединены с выходами образцовых генераторов соответственно, смеситель, один из входов которого соединен с выходом автогенератора, а другой — с подвижным контактом автоматического пере25 ключателя, последовательно подключенные к выходу смесителя полосовой фильтр, частотный детектор, низкочастотный усилитель, синхронный детектор, первый интегратор, микропроцессор и индикатор, а также гене- ратор синхросигнала, выход которого соединен с управляющим входом автоматического переключателя и с синхронизирующим входом микропроцессо- З5 ра, многоканальный коммутатор из (n-%) основных переключателей, управляющие входы которых соединены с (Ь-1 ) коммутирующими выходами микропроцессора соответственно, одна груп- 4О па из (и-1c) одноименных неподвижных контактов соединена с времяэадающей цепью автогенератора, а другая группа из (n-4) одноименных неподвижных контактов подключена к общей шине устройства, и измерительный датчик, представляющий собой накладной измерительный конденсатор и имеющий диэлектрическое основание, на котором размещены выполненные в виде компла- 5О нарных концентрических колец электроды, один из которых, внешний, соединен с корпусом устройства, а внутренние электроды, число которых (n-%) равно количеству слоев конт- 55 ролируемого объекта, соединены с соответствующими подвижными контактами основных переключателей многока1 рованный сигнал, модулирующая частота которого равна т Я, а несущая частота периодически изменяется, принимая поочередно значения сЬ и ы . Зондирующая частота (v„saвисйт как от собственной. емкости измерительного и образцового датчика 4 и 19, поочередно подключаемых к времязадающей цепи автогенератора

1 в определенные такты работы многоканального коммутатора 9 через его основные переключатели 9 — 9 и дополнительный 9 соответственно, так и от диэлектрических параметров соответствующей группы слоев контролируемого объекта.

Режим работы многоканального коммутатора 9 определяется микропроцессором 22, который преобразует поступающее на сннхронизирующий вход с генератора синхросигнала 21 напряжение частоты впЯ в напряжения кратных частот Я и nQ, используемые для формирования сигналов коммутации (фиг. 3), которые подаются на управляющие входы основных и дополнительного переключателей 9„-9 с соответствующих коммутирующих выходов микропроцессора и импульса стробирования, управляющего работой прерывателя 17. В зависимости от состояния основных переключателей

9> — 9 внутренние электроды 7„ -7 измерительного датчика 4 являются высокопотенциальными или низкопотенциальными. При этом электрическое поле, создаваемое комбинацией таких электродов, проникает в контролируемый объект на глубину, зависящую от расстояния между соседними высокопотенциальным и низкопотенциальным электродами. Принимая во внимание указанное обстоятельство и толщину каждого из слоев 8 „- 8+ контролируемого объекта, расстояние между 1,-м и (1+1)-м электродами выбрано так, что создаваемое между ними поле проникает на глубину 3-го слоя, а для того, чтобы собственная емкость системы высоко- и ниэкопотенциальных электродов, образующейся при подключении первых 1с электродов (отсчет ведется от электрода наименьшего радиуса) к времязадающей цепи автогенератора 1 и остальных (й-R) электродов — к корпусу устройства, не изменялась, по мере роста радиуса электродов их перина убывает и, кро-, ме того, ширина электродов должна

S 1095101 параметров четырехслойного объекта с получением информации о третьем слое (отсчет ведется со стороны . измерительного датчика, сечение которого дано на фиг. 1) — фиг. 2 и о каждом в отдельности — фиг. 4> а для сохранения общности изложения на эпюрах изображены разрывы между первыми четырьмя тактами и последним Н-м тактом периода работы устройства, условно показывающие, что при увеличении количества слоев в контролируемом объекте соответственно увеличится число тактов в указанном периоде, а его 15 длительность возрастет на Fi(n-5)/

ng, где T / nQ — длительность одного такта, кроме того, представленные на фиг. 2е, з, 4 б,г,е,з эпюры напряжений синус оидальных сигна- 20 лов изображены в прямоугольной форме.

Устройство содержит автогенератор 1, образцовые генераторы 2 и 3, измерительный датчик 4, состоящий 25 из диэлектрического основания 5, на котором укреплены выполненные в виде компланарных концентрических колец элекурдды 6, 7 — 7ц, в электрическом поле которых расположены четыре . слоя 81- 8 контролируемого объекта, многоканальный коммутатор 9, имеющий четыре основных переключателя 9„- 9 и дополнительный переключатель 9, автоматический переключатель 10, 35 второй интегратор 11, смеситель 12, полосовой фильтр 13, частотный детектор 14, низкочастотный усилитель

15, синхронный детектор 16, прерыватель 17, первый интегратор 18, образцовый датчик 19, управляемый фазоинвертор 20, генератор синхро" сигнала 21, микропроцессор 22 и индикатор 23.

Устройство работает следующим

45 образом.

Гармонический сигнал зондирующей частоты ы с выхода автогенератора

-1 1 подается на смеситель 12. Образцо вые генераторы 2 и 3, служащие источ. никами сигналов опорных частот ш

2 и ш (фиг. 2 ) соответственно, с помощью автоматического переключателя 10, управляемого прямоугольным напряжением частоты mnЯ (фиг. 26) генератора синхросигнала 21, поочередно подключаются к второму входу смесителя, в результате чего на его выходе формируется частотно-модули1095101 8

55 быть гораздо меньше расстояния между ними (в представленном на фиг. 1 сечении измерительного датчика последние два обстоятельства не отражены).

Сигналы управления (фиг. 3), поступая одновременно на управляющие входы соответствующих переключателей

91- 9, обеспечивают периодичность работы многоканального коммутатора 9 и определяют очередность подключения внутренних электродов 71- 74 измерительного датчика 4 и одного из выводов образцового датчика 19 к времязадающей цепи автогенератора 1. При контроле четырехслойного объекта период работы коммутатора 9 длительностью и /Я делится на 5 тактов длительностью )> / в% . В первый такт к времязадающей цепи автогенератора 1 через контакты переключателя 9а подключается электрод 71, что соответствует высокому уровню сигнала коммутации на управляющем входе основного переключателя 91 (фиг. За), а все остальные электроды 7g- 74 и образцовый датчик 19 соединяются с низкопотенциальным электродом 6, что соответствует низким уровням соответствующих сигналов коммутации (фиг. Зб- 3d).

При этом электрическое поле, создаваемое между высокопотенциальным

7„ и низкопотенциальным 72 электродами, проникает только в глубину поверхностного слоя 8„ и величина приращения собственной емкости измерительного датчика пропорциональна диэлектрической проницаемости слоя 8„, а зондирующая частота автогенератора изменится соответственно на величину а1ш . В сле1 дующем такте работы коммутатора к времязадающей цепи автогенератора через переключатель 92 подключится еще один электрод 7z и,поскольку расстояние между высокоготенциальным и низкопотенциальным электродами (электроды 72 и 7 соответст3 венно) возросло, создаваемое между ними поле проникает на глубину второго слоя 82. В этом случае изменение зондирующей частоты на величину b A)2 обусловлено диэлектрическими параметрами поверхностного слоя 81 и более глубокого слоя 82. Последовательное подключение остальных электродов 7 и 74 к времязадающей цепи автогенератора приведет к соот

O ветствующему изменению зондирующей частоты автогенератора на величину

Д аг И Dl0 . В дОПОЛНИтЕЛЬНОМ IIRTOM такте электроды 7,„-7 соединяются с корпусом устройства, а к времязадающей цепи автогенератора подключается с помощью дополнительного переключателя 9 образцовый датчик 19, собственные параметры которого по— добраны эквивалентными собственным параметрам измерительного датчика 4 (в отсутствие контролируемого объекта). При этом величина расстройки зондирующей частоты определяется толь ко влиянием неинформативных факторов, а именно: температурный дрейф параметров образцового датчика и вречязадающей цепи автогенератора, конструктивная неидентичность датчиков 4 и 19, нестабильность питающих напряжений. По окончании дополнительного (пятого) тайта цикл работы многоканального коммутатора 9 повторяется.

Параметры датчиков 4 и 19 при начальной установке нуля (в отсутствие контролируемого объекта) должны быть согласованы с времязадающей цепью автогенератора 1 таким образом, чтобы при равенстве собственных емкостей датчиков и отсутствии внешних воздействий в любой из тактов коммутации выполнялось условие симметрии опорных и зондирующей частот, т.е. (фиг. 2са)

Ь> -Ю =(и -Id (<)

2 1 - 1 3

ГДЕ иг1- НаЧаЛЬНОЕ ЗкаЧЕНИЕ ЗОНДИрующей частоты автогенератора 1, определяемое собственными параметрами датчиков 4 и 19 и параметрами времязадающей цепи в отсутствие внешних воздействий (информативных и неинформативных);

IJJz и аз — несущие частоты выходных сигналов образцовых генераторов 2 и 3 соответственно.

Кроме того, разнос опорных частот должен быть таким, чтобы при воздействии только информативных факторов (при введении контролируемого объекта в зону чувствительности измерительного датчика) сохранялось условие баланса частот и >)(ш +аш),(иа+аш ),(и) аш ), (ш,+аш )) ъш,, (г)

1095101 где hLu1, аю,, а q и дж, — информа-, 2

/ тивные приращения зондирующей частоты автогенератора 1, определяемые диэлектрическими параметрами соответственно слоя 8, двух слоев 8 и 8, трех слоев 8, 8 и 8 и четырех слоев 8„- 84 контролируемого объекта.

10 и =ы„-(аы лш );

2 о

Чтобы получить информацию о диэлектрических параметрах поверхностного слоя (8 ), необходимо из сово-, купности сигналов, полученных за один период работы устройства, выделить сигнал, пропорциональный величине дм, 1 а например, для получения информации 15 о третьем слое 8 -необходимо выделить сигнал, пропорциональный разности абсолютных значений соответствующих информативных приращений зондирующей частоты: ((ЛмэНЬ !) . Поскольку ука- 20 занные побочные факторы также влияют на параметры времязадающей цепи автогенератора, обусловливая температурно-временную нестабильность зонди .рующей частоты его, то дополнитель- 25 ное неинформативное изменение ее начального значения ш„ может привести о к нарушению условия баланса частот (2) и к существенному искажению результатов контроля. Поэтому для З0 коррекции частоты автогенератора, осуществляемой по условию симметрии (i) используется сигнал, получаемый в дополнительном пятом такте при подключении образцового датчика 19.

Процесс селективного контроля и получения информации о диэлектрических параметрах третьего слоя 8Э и режим коррекции происходит следую- 40 щим образом.

Если под влиянием неинформативных факторов (м6фленный температурный дрейф параметров. датчиков и времязадающей цепи автогенератора) 4S зондирующая частота юо изменилась

1 на величину hw и сохраняет свое значение при постоянстве других факторов (информативных) в течение нескольких периодов работы. Тогда у при воздействии всех внешних факторов (информативных и неинформативных) частота автогенератора в течение одного периода работы многоканального коммутатора 9 последовательно принимает значения (фиг.2ы) (3)

td =uJ -(dw tdw„(; неинформативное приращение начального значения зондирующей частоты ur„ автогенератора 1, величина которого в течение некоторого времени постоянна (величинадш для упрощения дальнейшего описания условно взята со знаком "+"); текущее значение зондирующей частоты автогенератора, определяемое величиной приращения д ц„начального значения зондирующей частоты ш „, обусловленного только влиянием информативных факторов на времязадающие цепи автогенератора; значения несущей частоты выходного сигнала автогенератора, обусловленные как информативными приращениями частоты в I — - ГЧ тактах соответственно, так и неинформативным д к ° где

Ш1

Э

1 ,„1

2 4

Таким образом, на смеситель 12 с автогенератора поступает квазигармонический сигнал, частота которого периодически с частотой mn52 изменяеТся, последовательно принимая на другой вход смесителя подается частотно-модулированный сигнал, несущая частота которого периодически с част отой ю и Я принимает э начения ир> и u> . Полосовой фильтр 13

EI3 смеси частот выделяет разностный частотно-модулированный сигнал, моПри этом время, в течение которого неинформативное приращение д м>, постоянно (так называемая постоянная дрейфа автогенератора То, ), должно быть гораздо больше двух периодов работы многоканального коммутатора 9 (2Ti / Я ) .

1095101 дулирующая частота которого равна по Я, а несущая частота в каждый такт работы коммутатора 9 (т. е. за промежуток времени Ti/нЯ ) принимает периодически (с частотой п пЯ ) два значения, за2 ", р ("}

03 =W + (Д03 ФДЮ 1

2 1 P i 4 2/

2 .1 Р (3} z Д „=Е<р (Д Нь<ДД«) 12 ж — Ю =cv -/Дж +Де

Р(1%/ щг - р -(gw -+дш

2 1с} ц1 (ф ц.) — (дш 4. Дш }

Ф

Щ .-ьо = Й -(Д034+ЬЯ }1

3 Р (4-) о<> - Ю =cd +Дш

1с

2 1

2 3

15 где <а<= еееднее значение не2 сущей частоты разностного частотномодулированного сигнала, выделяемого полосовым фильтром 13.

В выходной цепи полосового фильт- 2О ра имеется звено амплитудного ограничения,необходимое для устранения паразитной амплитудной модуляции разностного частотно-модулированного сигнала. Кроме того, выделяемые 25 полосовым фильтром разностные частоты, а также зондирующая частота автогенератора, опорные частоты образ-. цовых генераторов и частоты коммутации и управления должны подчинять- ЗО ся соотношению:

U1 =ЦДШ„+ДШ

2 1 (д г дш1,I

1 "з " I

4 4 ш (}

0 = gjzcd

Частотно-модулированнь1й разностный сигнал поступает в частотный де тектор 14, на выходе которого образуется амплитудно-модулированное на-пряжение прямоугольной формы (фиг.28) с несущей частотой тпЯ, амплитуда которого пропорциональна девиации

40 среднего значения разностной частоты о и р за период 3T/о Я (за один такт), т.е. амплитуда напряжения на выходе частотного детектора в первые четыре такта работы коммутатора 9 опреде45 ляется суммарным воздействием информативного фактора, соответствующего . данному такту, и всех неинформативных (см. соотношения 4), а при подключении образцового датчика 19, собственные параметры которого эквивалентны собственным параметрам измерительного датчика 4, амплитуда напряжения на выходе детектора 14 определяется только неинформатив- т ными факторами (см, соотношение 5) . ч

Низкочастотный усилитель 15, настро- щ енный на первую гармонику частоты r

5S з«нз«<н нз«<Н<З«еее(<е,«p е< I . <ь) висящие от разности частот выходного сигнала автогенератора частот ш2 и и образцовых генераторов, поступающих на смеситель в Т вЂ” ll такты соответственно (фиг. 2а).

1с ш -ш =w -дш (5/

3 Р

thol из прямоугольного амплитудно-модулированного напряжения выделяет синусоидальный сигнал, амплитуда которого в каждом из тактов пропорциональна алгебраической сумме неинформативного приращения ЬЫ1, и соответствующему данноМу такту информативного приращения частоты автогенератора, а именно где % — результирующий коэффициент преобразования цепи элементов 12-15

0„-0 — значения амплитуды выходного сигнала (амплитудномодулированного) низкочастотного усилителя 15 в 1, tt Т, Й, Ч такты соответственно.

Амплитудно-модулированный синусоидальный сигнал, содержащий информацию о диэлектрических параметрах всех слоев контролируемого объекта, полученную в результате послойного. зондирования, поступает в синхронный детектор 16, на опорный вход которого подается напряжение той же частотыthnQ (фиг. 23), вырабатываемое генератором синхросигнала 21.

Для получения информации о диэлектрических параметрах слоя 84 необходимо выделить .сигнал, амплиуда которого пропорциональна велиине разности информативных прираений зондирующей частоты Й„ автоенератора 1, возникающих соответ13 ственно во Р и l>l такты работы устройства, т.е. уровень постоянного напряжения на выходе первого интегратора 18 должен быть пропорционален величине (см. соотношение 7) .

10951

После синхронного детектирования входного синусоидального сигнала, изменения амплитуды которого (в соответствующие такты) несут информацию о диэлектрических параметрах

45 каждого из слоев контролируемого объекта и одновременно обо всех информативных факторах, влияющих на частоту автогенератора, на выходе детектора 16 появится напряжение в виде пакетов выпрямленных полуволн

50 синусоиды частоты mnS?,,àìïëèòóäà которых в каждом из тактов (длительностью >/nЯ ) определяется амплитудой входного синусоидального сигнала в соответствующих тактах, а полярность полуволн в пакете зависит от фазы напряжения той же частоты (Nng) в опорной цепи детектора, и для чего фаза напряжения частоты ювЯ, поступающего в I, Iv, 9 такты данного периода работы коммутатора 9 (Л/Я ) на опорный вход синхронного детектора 16 с выхода генератора синхросигнала 21, должна быть сдвинута в те же такты очередО ного периода на 180, а фазы указанного напряжения во ll и Е так.тах,оставаясь в каждом из периодов 7l/Я постоянными, должны быть сдвинуты между собой в одном и том же периоде на 180О Для удовлетворения этих условий между выходом генератора синхросигнала 21 и опорным входом детектора 16 включен уп- 25 равляемый фазоинвертор 20, на задай вход которого с программного выхода микропроцессора 22 поступает соответствующий кодовый сигнал (фиг. 2 .). Высокий и низкий уровни gp кодового сигнала, чередуясь в последовательности, устанавливаемой микропроцессором по алгоритму получения заданного результата (информации о слое 8 ), обеспечивают прохождение на опорный вход синхронного детектора 16 прямого и инверсного напряжений частоты с генератора синхросигнала 21.

О1 14 в данном случае (фиг. 2e) пакет, соответствующий Е такту каждого периода (Л Я ), содержит полуволны синусоиды отрицательного знака, а пакет, соответствующий такту каждого пери<да — полуволны положительного знака, во всех остальных тактах (I,63 и 9 ) полуволны синусоиды имеют положительный знак в одном периоде и отрицательный — в следующем.

Пакетное разнополярное напряжение (фиг. 2 e), поступая на первый интегратор 18, вызовет периодический процесс перезаряда его накопительных элементов, при этом все составляющие заряда равной амплитуды, но чередующейся полярности, взаимокомпенсируются, вследствие чего уровень пульсирующего напряжения, усредненного на выходе интегратора (фиг.2Ф) эа два периода работы многоканального коммутатора (2Ц / Я ) равен величине разности абсолютных значений амплитуды полуволн синусоиды tl u ITl тактов, т.е. величине 1 0 — U 1, пропор— циональной разности приращений зондирующей частоты автогенератора ()5M i (Qt6 /) определяемой ToJIBKQ диэлектрическими параметрами слоя 8 .

Таким образом, на индикатор 23 с выхода первого интегратора 18 (через микропроцессор 22) поступает постоянное напряжение, среднее значение которого за период 2 P /5Z зависит только от диэлектрических свойств одного иэ слоев контролируе» мого объекта (в зависимости от характера кодового сигнала, поступающего на задающий вход управляемого фазоинвертора с программного выхода микропроцессора), в данном случае — слоя

8 . Пульсации этого напряжения сглажйваются при соответствующем выборе постоянной интегрирования . кото18 рая определяется иэ условия

Та "18 >) 2)(/Я, (9} где — постоянная времени первого

18 интегратора 18 ц - некоторая постоянная времени, в течение которого величина неинформативной расстройки дш1, зондирующей частоты автогенератора не изменяется.

Микропроцессор 22 обеспечивает автоматическую задержку текущего результата контроля, содержащего

10951

16

35

15 информацию о диэлектрических параметрах какого-либо слоя на время (порядка „ ), необходимое для подстройки зондирующей частоты автогенератора по условию симметрии 5 (соотношение 1), запоминание и сброс предыдущего показания, выдачу текущего результата, выборку и поступление на задающий. вход управляемого фазоинвертора очередного кодового сигнала (из набора сигналов фиг. 4, в, d ф,,сформированных аналогично указанному алгоритму), необходимо для получения информации о диэлектрических параметрах сле- 15 дующего слоя, при этом в микропроцессоре может быть предусмотрен ручной режим управления для селективного контроля диэлектрических параметров одного определенного слоя.

Отличие характера кодового сигнала, обеспечивающего получейие информации о первом (поверхностном) слое, от кодовых сигналов, необходимых при выделении информации о глубинных слоях контролируемого объекта, заключается, как показано на фиг. 4, в том,что в первом случае уровень сигнала в дополнительных тактах периода 2 У Я работы устройства постоянно высокий (или в зависимости от уровня сигнала в 7 такте, постоянно низкий), т.е. всегда противоположен уровню сигнала в такте (фиг. 4с ), что необходимо для с компенсации неинформативной составляющей амплитуды сигнала 1 такта,,содержащего информацию только о поверхностном слое (фиг. 46), а во втором случае при селективном контроле %-ro слоя (где %= 2,3... и-1) компенсация неинформативной составляющей амплитуды сигнала, получаемого в % -й такт данного пери 45 ода 7 /Я работы многоканального коммутатора, осуществляется за счет аналогичной составляющей сигнала (%-1)-го такта противоположной полярности (фиг. 4,е, з ) и для исключе 56 ния влияния сигналов, получаемых в данный период У /Я на выходе синх ронного детектора в остальных тактах, в том числе и в дополнительном такте полярность этих сигналов в очередном периоде )7/52 работы коммутатора изменяет знак вслед за изменением уровня соответствующего кодового сигнала (фиг. 46, д, ч.). Отсюда следует, что при коррекции зондирующей частоты автогенератора, осуществляемой в моменты подключения к его времязадающей цепи образцового датчика 19 для поддержания условия баланса частот (2), необходимо из выходного разнополярного напряжения синхронного детектора выделить только те дополнительные такты, полярность сигнала в которых сохраняет знак при получении информации о любом из контролируемых слоев т.е. необходимо стробировать разнополярное напряжение в те дополиительные такты, в которых уровни всех кодовых сигналов совпадают. Поскольку в рассматриваемом примере указанным условиям соответствует дополнительный такт первого периода TilS2 работы коммутатора, то прерыватель

17, подключенный к выходу синхрон ного детектора параллельно первому интегратору и управляемый стробимпульсами длительностью Т(/tlQ следующими с частотой Я со стробирующего выхода микропроцессора, формирует из пакетного разнополярного напряжения детектора 16 корректирующий сигнал в виде периодической последовательности пакетов длительностью Р in, следующих с частотой Я и состоящих из выпрямленных полуволн синусоиды частоты rnnS2 только одной полярности, амплитуда которых пропорциональна только неинформативному приращению зондирующей частоты -дш (фиг. 2 3 — прямоугольные импульсы). Корректирующий сигнал усредняется во втором интеграторе 1 1 и на корректирующий вход автогенератора подается постоянное напряжение (фиг. 2 3 — пунктирная линия), пульсации которого сглаживаются за счет соответствующего подбора постоянной времени 71„ второго интегратора, Это напряжение, воздействуя на времязадающую цепь автогенератора при правильном выборе фазовых соотношений с входным сигналом (пропорциональным девиации среднего значения разностной частоты .Й под влиянием неинформативных факторов) и постоянной времени второго интегратора (th) 7 77237 /Я), изменяет зондирующую частоту автогенератора до тех пор пока ее текущее значение не совпадет с начальным значением зондирующей частоты, т.е. пока не выполиится равенство

1095101

cv""„=ü>„с точностью до ошибки некомпен6ации замкнутой системы, состоящей из элементов 1-12-13- 1415-16-17-11-1, Остаточное напряже-. ние корректирующего сигнала, свя- 5 занное с ошибкой некомпенсации указанной замкнутой системы, не вносит дополнительную погрешность в результаты контроля в том случае, если Ьно обусловлено только медленными температурными дрейфами параметров времязадающей цепи автогенератора и собственных параметров идентичных датчиков 4 и 19, поскольку неинформативные составляющие амплитуды выходного сигнала синхронного детектора взаимно компенсируются в первом интеграторе 18 за счет инверсии фазы сигнала в соответствующих тактах периода 2 /Я, 20 по этой же причине неинформативная составляющая амплитуды выходного сигнала детектора 16, обусловленная неидентичностью собственных емкостей датчиков, не вносит дополнительную погрешность при получении информации о глубинных слоях контролируемого объекта.Неидентичность датчиков внесет дополнительную погрешность только при получении информации о поверхностном слое. Эта логрешность устраняется при начальной калибровке устройства.

Режим калибровки "установка нуля устройства аналогичен режиму измерения и производится в отсутствие контролируемого объекта. С помощью подстроечного элемента автогенератора 1 (на фиг. 1 не показан) и образ" цового датчика (на фиг. t показан регулируемый образцовый датчик), регулирующего емкость датчика 19, зондирующая частота автогенератора изменяется до тех пор, пока не будет выполнено условие симметрии частот, устанавливаемое соотношением (1), при этом собственные емкости измерительного и образцового датчиков станут равными и на индикаторе 23 установится нулевое показание.

4095i01

1095101 .а(t

Ng++4Ng)

t ..a иаа

Составитель В.Стукан

Редактор О.Колесникова Техред M.Kóýüìà Корректор Л.Пилипенко

Заказ 3588/27 Тираж 711 Подпис ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППЛ "Патент", г. Ужгород, ул . Проектная, 4